太震撼了！水下機(jī)器人潛入大海，拍到了珊瑚的真實(shí)模樣

各位家長有沒有被孩子問過“大海里的珊瑚長什么樣”“怎么保護(hù)小魚的家”？今天這篇內(nèi)容家長收藏好，輕松搞定一次高質(zhì)量的親子海洋啟蒙～

珊瑚礁棲息地雖然只占全球海洋水下面積的0.2%，卻孕育了超過25%的海洋生物，因此也被稱作“海洋生物的搖籃”。然而，想要深入“搖籃”一探究竟，可不是一件容易事。過去，科研人員想要了解珊瑚的生長與健康情況，需要穿著厚重的潛水服潛入大海，可人類潛水深度有限，最多只能到達(dá)水下幾十米深的地方，而且長時(shí)間潛水容易體力不支；也可以用載人潛水器，但它造價(jià)高昂，單次下潛成本不菲，且無法靈活穿梭在復(fù)雜的淺水珊瑚叢中。更麻煩的是，海底光線減弱、水流湍急，還有海藻、海草等遮擋，想拍到珊瑚的“真面目”，實(shí)在困難。

現(xiàn)在，有了新的解決方案——水下機(jī)器人，它就像一位不知疲倦的“海底攝影師”，能潛入大海，把珊瑚礁的每一個(gè)細(xì)節(jié)都清晰地“記錄在案”。

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“海底攝影師”

3個(gè)“秘密武器”

水下機(jī)器人之所以能在海底大展身手，靠的是3個(gè)“秘密武器”——分別像人的眼睛、大腦和雙腳，可以協(xié)同工作，讓復(fù)雜的海底環(huán)境變“坦途”。

不同相機(jī)在水下因陽光造成的成像光路效應(yīng)

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“眼睛”——水下光學(xué)相機(jī)

由于珊瑚礁一般只能在光照充足、海水清澈和溫暖的淺水區(qū)發(fā)育，非常適合使用水下光學(xué)相機(jī)（CCD camera）來觀察它們的棲息地和生態(tài)環(huán)境的變化。水下光學(xué)相機(jī)不僅可以記錄珊瑚礁的細(xì)節(jié)，還能為水下機(jī)器人躲避障礙物和魚群提供必要的信息，幫助實(shí)現(xiàn)友好、非侵入式的探索。

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“大腦”——深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)

海底的情況比我們想象復(fù)雜得多：魚兒會(huì)游到水下機(jī)器人鏡頭前，泥沙會(huì)被水流卷起形成“水下霧霾”，所引起的散射作用，會(huì)讓拍出來的照片模糊不清。這時(shí)候，“智慧大腦”就派上用場了，它就像一位經(jīng)驗(yàn)豐富的照片編輯，不僅能讓拍攝的視頻或影像效果增強(qiáng)，還能自動(dòng)挑錯(cuò)：憑借分析上百萬張珊瑚照片所積累的經(jīng)驗(yàn)，它能一眼識別出哪些照片模糊不清，哪些照片內(nèi)的珊瑚有遮擋，篩掉這些不合格的照片，只留下完整清晰的珊瑚影像。據(jù)統(tǒng)計(jì)，面對近萬張照片，“智慧大腦”只需3分鐘就能篩選出380張合格照片，比人工篩選快了幾十倍！

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“腳蹼”——高精度推進(jìn)系統(tǒng)

海底不像平地那樣平坦，有時(shí)會(huì)突然出現(xiàn)水流讓水下機(jī)器人偏離方向，這時(shí)靈活的“腳蹼”——矢量推進(jìn)器便開始發(fā)揮作用。在水下機(jī)器人的不同位置安裝有多個(gè)矢量推進(jìn)器，就像人類靈活的手腳。當(dāng)水流把水下機(jī)器人往左推時(shí)，右邊的推進(jìn)器就會(huì)發(fā)力，把它拉回正確方向；當(dāng)水下機(jī)器人想要靠近珊瑚拍攝細(xì)節(jié)時(shí)，前方的推進(jìn)器就會(huì)緩慢加速，讓它像一片葉子一樣輕輕飄過去，不會(huì)因?yàn)閯?dòng)作太猛而驚擾到珊瑚或攪起泥沙。

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“海底攝影師”

工作日記

水下機(jī)器人的每一次探測都是經(jīng)過精心策劃的，“出海準(zhǔn)備—水下巡航—圖像處理—成果分析”4個(gè)步驟都藏著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)細(xì)節(jié)。

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“出海準(zhǔn)備”

水下機(jī)器人出發(fā)前，工作人員會(huì)先查看目標(biāo)海域的地圖，在電腦上標(biāo)出要探測的珊瑚礁區(qū)域。同時(shí)，還要給水下機(jī)器人設(shè)定“安全規(guī)則”：最大下潛深度不超過30米，遇到強(qiáng)水流（超過每秒2米）時(shí)暫停工作，電池剩余20%時(shí)自動(dòng)返航等。這些設(shè)置能確保水下機(jī)器人順利完成任務(wù)。

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“水下巡航”

水下機(jī)器人被放入海中后，會(huì)先啟動(dòng)相機(jī)和導(dǎo)航系統(tǒng)，再沿著預(yù)設(shè)路線巡航。它還有個(gè)“視覺定位模塊”，能通過識別珊瑚的獨(dú)特紋理來判斷自己的位置。例如，它路過某一塊鹿角珊瑚時(shí)發(fā)現(xiàn)其有3個(gè)明顯的分叉，就會(huì)拍下這一特征；再次經(jīng)過這里時(shí)，通過對比分叉的位置，便能確認(rèn)自己是否偏離航線，比傳統(tǒng)的水下定位系統(tǒng)更精準(zhǔn)。

在拍攝過程中，水下機(jī)器人還會(huì)通過計(jì)算視頻連續(xù)幀之間的幀率和拍攝距離，使相鄰照片保持60%左右的部分重疊。這些重疊的照片能保障不會(huì)出現(xiàn)“漏拍”，還會(huì)生成準(zhǔn)確的海底數(shù)字孿生模型，進(jìn)而構(gòu)建出信息豐富、可以演化的數(shù)字海底世界。

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“圖像處理”

水下機(jī)器人完成巡航后，會(huì)帶著數(shù)萬張照片返航。接下來，“智慧大腦”會(huì)再次出場，通過數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)，把二維照片變成三維建模。整個(gè)過程像把很多張從不同角度拍攝的玩具熊貓照片疊加起來，就能算出玩具熊貓的高度、寬度，包括每一根絨毛的位置——珊瑚的三維真實(shí)建模就是這樣做出來的。通過這個(gè)模型，就能清楚地看到珊瑚的高度、分支數(shù)量，甚至是表面的細(xì)小破損。

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“成果分析”

最后，工作人員會(huì)根據(jù)三維建模和照片，給珊瑚做一次全面“體檢”，統(tǒng)計(jì)健康珊瑚的覆蓋率、記錄生病珊瑚的數(shù)量（例如被海藻覆蓋的珊瑚會(huì)呈現(xiàn)褐色，需要重點(diǎn)關(guān)注），還能對比往年的數(shù)據(jù)，看看珊瑚是不是長得更茂盛了。如果發(fā)現(xiàn)健康珊瑚的覆蓋率比往年提高，就說明海洋保護(hù)措施有成效。

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珊瑚礁保護(hù)

“全能助手”

其實(shí)，這位“海底攝影師”不僅會(huì)拍照，還像環(huán)保衛(wèi)士一樣為珊瑚礁保駕護(hù)航。

珊瑚礁圖像語義分割與三維模型疊加分析

（不同顏色代表不同種類珊瑚礁的健康狀況）

首先，它能及時(shí)發(fā)現(xiàn)珊瑚的“病情”。珊瑚也會(huì)“生病”，例如遇到海水溫度升高，會(huì)排出體內(nèi)共生的藻類，變成白色，這就是珊瑚白化。如果白化持續(xù)時(shí)間太長，珊瑚就會(huì)死亡。過去，科研人員很難通過衛(wèi)星影像及時(shí)發(fā)現(xiàn)白化現(xiàn)象，往往發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)來不及搶救。而水下機(jī)器人可以定期巡航，通過對比照片很快能發(fā)現(xiàn)變白的珊瑚，保護(hù)區(qū)的工作人員就可以立刻采取降溫措施，幫助處于熱浪中的珊瑚躲過一劫。

其次，它能為珊瑚重建家園提供依據(jù)。有些海域的珊瑚因?yàn)槲廴尽⑦^度捕撈等原因遭到破壞，需要人工補(bǔ)種。但補(bǔ)種珊瑚需明確海底地形是否適合、水流是否平緩。這時(shí)候，三維模型就能派上用場——從模型中找出平坦且水流速度適中的區(qū)域，再結(jié)合珊瑚的生長需求，確定最佳補(bǔ)種位置。

通過圖片重建的珊瑚礁三維模型

接下來，工作人員計(jì)劃給水下機(jī)器人加裝溫鹽深傳感器、主動(dòng)光學(xué)傳感器和流體高速相機(jī)等先進(jìn)裝備，讓它在拍攝珊瑚的同時(shí)，還能檢測海水溫度、酸堿度、含氧量等，獲得更精準(zhǔn)的三維實(shí)景與珊瑚紋理信息。相信在不久之后，可以實(shí)現(xiàn)多臺水下機(jī)器人組隊(duì)工作，去探測更大面積的珊瑚礁。

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看完這篇，不妨和孩子一起聊聊“我們能為海洋做些什么”，也歡迎在評論區(qū)分享你的親子科普小妙招，或者娃的奇思妙想～ 覺得內(nèi)容實(shí)用的話，點(diǎn)贊轉(zhuǎn)發(fā)，讓更多家庭和孩子愛上海洋、學(xué)會(huì)守護(hù)！

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責(zé)任編輯｜趙青云 李雅欣

運(yùn)營編輯｜李雅欣

質(zhì)量審核 | 王維嘉

圖文來源 | 《知識就是力量》雜志《水下機(jī)器人：潛入大海，“看見”珊瑚》，撰文/李明（武漢大學(xué)機(jī)器人學(xué)院機(jī)器人系 南海遙感測繪創(chuàng)新中心），原文有刪改，原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請注明來源。

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